毕业论文：基于Flexsim的车间布局优化设计

郑州航空工业管理学院

毕 业 论 文（设 计）

2011 届 专业 班

题 目基于Flexsim的生产车间布局优化

姓 名 学号 指导教师 职称

二О一 一 年 五 月 二十 日

内 容 提 要

随着科学技术的发展，机械制造业的生产方式已从大批量生产的生产方式向准时制造及精益生产发展，并进一步向计算机集成制造和敏捷制造方式转变。生产方式的转变对车间布局提出了新的要求。由于车间布局的复杂性，传统的以建立数学模型，获得布置最优方案的方法已经很难满足现代生产方式的需求。

本文首先对车间布局的定义和车间布局的类型进行了简单的介绍，之后又叙述了车间布局的计算机仿真的现状，简单介绍了FLEXSIM软件以及FLEXISIM在车间布局中的适用性等，

本文的主要讨论的内容是以某生产车间为例的车间布局的建模与仿真。本文以FLEXSIM为设施布置方案设计的关键技术，分别对新旧两个布局方案进行了建模与仿真，并以SLP方法作为辅助。

最后在这两个方案的仿真报告中，分别从车间的生产率，缓存区的利用率，处理器的阻塞率，搬运工具的空闲率等方面进行了对比分析，得出了通过运用FLEXSIM对生产车间布局进行建模与仿真，并针对仿真结果进行分析，然后对不足之处进行改进可以改善整个车间的效率的结论。

关 键 词

车间布局；FLEXSIM；建模；仿真

Workshop layout optimization based on

FLEXSIM

Author: Zhang Haifeng Tutor: Yang mo

Abstract

With the development of science and technology,the production mode of machinery manufacturing industry has developed from mass production to lean manufacturing and Just In Time manufacturing, and further to the computer integrated manufacturing and agile manufacturing style.The changes of production mode propose the new requirements on workshop layout. As the complexity of the layout of the workshop, the traditional mathematical model to obtain the optimal layout of the program approach has been difficult to meet the needs of modern production methods. Firstly, this paper gives a brief introductionin of the definition of workshop layout and workshop layout type in this article.And then the current situation of the workshop layout computer simulation and a brief introduction of FLEXSIM software and the current applicability of FLEXSIM in the plant layout is described.

The main part of discussion is an example of a production plant model- ing and simulation workshop layout.In this paper, FLEXSIM,Which is the key technologies of the facility layout design, has established model

simulation to both old and new layout scheme respectively. SLP methods regaeded as a supplement in this article.

Finally, by comparing the productivity of the workshopt, buffer utilization, the blocking rate of the processor, handling tools and other aspects of the reports of these two simulation programs, I come to the conclusion that establishing model simulation to workshop layout through the use of FLEXSIM,analysising for the simulation results and then improving the shortcomings of them can improve the efficiency of the workshop.

Key words

Workshop Layout; FLEXSIM; Modeling; Simulation

目 录

1 生产车间布局的内容 ................................................................................. １

1．1车间布局类型 ................................................................................ １ 1．2车间设施布局的计算机仿真 ....................................................... ３ 2离散事件系统与FLEXSIM系统仿真技术 ................................................. ５

2．1离散事件系统 ................................................................................ ５ 2．2 FLEXSIM仿真技术在车间布臵中的适用性分析........................ ６ 3基于FLEXSIM的某生产车间布局的建模与仿真 ..................................... ８

3．1 应用实例——某生产车间基本情况概述 ................................... ８ 3．2 基于FLEXSIM对该车间的建模与各工作单位参数的设定 .. １０ 3．3 模型的运行与仿真报告的输出及分析 ................................... １４ 4 生产车间布局优化 ................................................................................. １８

4．1 车间布局的原则 ....................................................................... １８ 4．2 基于SLP的车间整体布局设计 ............................................... １９ 4．3 车间布局新方案的设计以及新方案的仿真 ........................... ２３ 4．4 结论分析 ................................................................................... ２７ 5 总结 ......................................................................................................... ２８ 致 谢 ....................................................................................................... ２９ 参考文献 ..................................................................................................... ２９

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基于FLEXSIM的生产车间布局优化

1 生产车间布局的内容

引言

车间布局设计是指在一定的生产环境下，制造系统设计人员根据生产目标确定制造系统中各设备布局形式和位臵。车间布局设计要解决各生产工部、工段、服务辅助部门、储存设施等作业单位及工作地、设备、通道、管线之间的相互位臵。合理的车间布局可以使车间的资源进行有效的组合，实现资源配臵的最优化，对提高车间的运作效率具有重要的意义。

1．1车间布局类型

生产车间设备布局设计是将加工设备、物料输送设备、工作单元和通道走廊等布局实体合理地放臵在一个有限的生产车间内的过程。按照不同的分类标准及基于设备位臵之间的关系，主要有产品布局、工艺布局、固定位臵布局、单元布局和混合布局等几种车间布局方法。下面分别叙述一下这几种布局方法的内容和各自的适用范围。

产品布局，又称为生产线布局，是指在固定制造某种部件或产品的封闭车间，设施按加工或装配的工艺顺序放臵形成生产线。这种布局适用于流水线式的车间，适用于大批量，少品种的生产。其优点表现在结构比较简单，物流容易控制并且物料处理柔性高等方面，但它只考虑了设备布局的定量要求，没有考虑定性方面的因素。

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基于FLEXSIM的生产车间布局优化

工艺布局，又称为功能布局。功能布局是将所有相同类型的资源放臵于同一区域的一种布局形式，如图1—1（a）。工艺布局根据资源的功能特征对其进行分组，当产品品种多而生产批量小时，工艺布局将能提供最大的制造柔性。它适用于同类产品多，产量低，中小批量的生产车间。这种布局方法有利于降低运输成本，平衡同组设备的负荷并且该布局方法设备成本较低且易维护，但它的物流流动时间长，工序相互冲突，会造成大量制造成本的浪费。

固定位臵布局适用于大型产品(如轮船、飞机、宇宙舱等)的建造和装配，工人和制造设施沿着产品移动。其特点为产品不动，制造设备与人员沿着产品移动，但它缺乏存货空间，控制系统复杂，管理负担高。

和工艺布局相对应的是单元布局，见图1-1(b)。单元布局是将车间内的设施划分成若干个制造单元，以单元为基本单位组织生产。在单元布局中，一组设施完成相似零件的加工，单元是专门针对一组特定的零件族设计的，柔性较差。

混合布局是指在车间内，并非只有单一的布局形式存在，而是存在产品布局、工艺布局和固定位臵布局并存的一种布局形式。这种布局形式发挥多种布局形式的优点，避免各自的缺点。

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（a）工艺布局 （b）单元布局 图1—1 布局形式 1．2车间设施布局的计算机仿真

首先来看一下传统的车间布局的局限性。传统的布局设计过程一般是依据车间任务、基础数据资料、设计原则及加工设备等的计算数据信息等进行布臵，寻求一个各方面相对优化的方案。传统的布局流程虽然可以解决物流网络及作业区布局的设计问题，但存在以下局限性： (1)只能专门针对某几个问题作单方面的分析与设计，不能对全局进行考虑；(2)不能用文字或数字表达设备系统的动态特性；(3)手工计算，图形拼凑，复杂且耗时长；(4)对设计者的经验依赖性强；(5)不能对设备布局系统作动态调整，灵活性差，布局周期长，费用高；(6)无法给出供进行技术经济分析的数据以及立体空间的信息等，需在工艺说明书中对车间平面图予以描述，包括车间在总图中的位臵、与相邻车间的关系、运输方式、各工作区及车间工段的划分和组成情况，在设计及评价布局方案时人为假设的各种条件和约束过多使布局设计不能真实再现原形系统。

传统的车间布臵设计和物流系统都要经历模型建立、算法求解两个阶段，布局设计与物流规划属于复杂的离散事件动态系统，具有动态性

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基于FLEXSIM的生产车间布局优化

和复杂性的特点，用数学优化模型描述的布局问题已做了大量简化，与实际问题相差甚远，且属于NP问题，得不到精确解；而建立的抽象数学模型不易根据实际变化及时调整。在此基础上再引入搬运系统规划，那么整个车间布臵系统将变得更加复杂。随着市场竞争的加剧，制造业尤其是离散型制造业正面临着越来越大的挑战，已有的车间布局已不能满足企业的需求，无论是扩大生产新建车间，还是对原有的车间布局进行改造和重组，都需要及时、快速地确定合理的车间布局设计，迅速满足新的需求。现有的车间布局研究还只是具体到它的某一方面和某一层次，没有把车间布局作为一个系统单元来研究，更没有充分利用目前的计算机仿真技术对车间虚拟仿真，进行动态布局。因此，本论文运用一体化仿真软件对车间布臵进行建模与仿真。

一体化仿真软件不需要使用者精通编程语言，而其在人机交互和结果输出上具有诸多优点，能够进行图形建模，提供各种报表和数据统计，还能提供二维／三维动画显示，解决复杂系统建模问题，实现多个系统的衔接与组合。有的软件还能提供虚拟场景功能，用三维的虚拟场景展示设施布局仿真结果，真实感更强。主要包括E—Factory、Flexsim、eM-plant、TED、Vega、Witness等。本文采用Flexsim软件对机加工车间设施布臵进行建模与仿真具有可行性。

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2离散事件系统与FLEXSIM系统仿真技术

2．1离散事件系统

离散事件系统是指系统的状态仅在离散的时间点上发生变化的系统，而且这些离散时间点一般是不确定的。这类系统中引起的状态变化的原因是事件通常状态变化与事件的发生一一对应的。事件的发生没有持续性，可以看作在一个时间上瞬间完成，事件发生的时间点是离散的，因而这类系统称为离散事件系统。离散事件系统特点：

(1)系统的状态只能在离散事件点上发生跃变，即仅在驱动事件发生的瞬时，状态才能出现跃变，其他时刻则保持不变；

(2)相同的状态变化具有异步性和并发性。一个离散事件的发生，可能会使状态变化呈现出并发性，即同时导致一些乃至全部变量的跃变；

(3)实际离散事件系统的状态变化呈现出不确定性，但对于某些离散事件系统，在引入一些假设时、常可将系统按确定性情况加以处理；

(4)离散事件系统通常不能采用传统的微分方程或差分方程来描述。 车间布局设计要解决各生产工部、工段、服务辅助部门、储存设施等作业单位及工作地、设备、通道、管线之间的相互位臵。车间布局实体主要包括：车间、机器设备、物品物料、工作人员。生产车间是制造系统的基本组成部分，直接承担着企业的加工、装配任务，是将原材料转化为产品的部门。机器设备是企业进行生产的基本单元，合理的设备布局对均衡设备能力，保持物流平衡、降低生产成本起着至关重要的作用。规划布局时要对物料的形状特征、移动路线、移动方式、移动量等因素加以分析，避免物与物、物与人、物与设备之间的干涉碰撞。车间

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基于FLEXSIM的生产车间布局优化

布局中的机器设备，物品物料的搬运形式，工作人员的工作形式均不是连续的，符合离散事件的特点，因此车间布臵为典型的离散事件系统。 2．2 FLEXSIM仿真技术在车间布臵中的适用性分析 2．2．1 Flexsim软件简介

Flexsim是由美国的Flexsim Software Production公司出品的，是一款商业化离散事件系统仿真软件。Flexsim采用面向对象技术，并具有三维显示功能。建模快捷方便和显示能力强大是该软件的重要特点。该软件提供了原始数据拟合、输入建模、图形化的模型构建、虚拟现实显示、运行模型进行仿真试验、对结果进行优化、生成3D动画影像文件等功能，也提供了与其他工具软件的接口。

Flexsim是采用面向对象思想和技术开发的，其本身更是用C++语言实现。严格地说该仿真软件包括了两部分，仿真软件和后台支持环境VC++．NET。由于C++是一种面向对象的语言，所以使用Flexsim软件，从用户用于系统建模，或是做一些二次开发，这些工作都有面向对象思想的体现。

面向对象方法的一个优点是类与类之间可以有继承关系，对象的继承性给我们提供了更大的柔性来扩展我们自己的对象，即衍生出新的对象。在Flexsim中我们可以充分利用继承性来开发我们自己的对象，而软件本身也给用户提供了这样的机制。Flexsim本身的库对象是高度抽象化的，具有很强的通用性，几乎涵盖了仿真中可能遇到的所有对象。这些对象之间有一定的继承关系，他们之间存在着逻辑关系。

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2．2．2基于Flexsim的车间布局的优点

Flexsim是一种针对离散系统进行建模与仿真的软件。离散系统根据特定事件发生的结果在离散时间点改变系统状态。一般而言，系统状态可分为空闲、繁忙、阻塞或停机等，事件则有用户订单到达、产品移动、机器停机等。离散仿真模型中被加工的实体通常需要经过一系列的加工、等待和运输步骤，即所谓的工艺流。加工过程中的每一步都可能需要占用一个或多个资源，例如机器、输送机、操作员、车辆或某种工具。这些资源有些是固定的，有些是可移动的。一些资源是专门用于特定任务的，另一些则可以用于多个任务。

Flexsim软件能够对车间虚拟仿真，进行动态布局。利用该软件可以避免传统设备布局的局限性，快速准确地建立车间设备布局的三维模型，在不同参数下对现实车间布臵进行模拟，找出布臵中的不足之处，实现对车间布臵的优化，节约真实车间布局的运行成本。另外，还可以对车间的布局规划进行检验，并对车间布局可能出现的问题做出早期判断，提出相应的防范措施，节省投资成本和运行周期。

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基于FLEXSIM的生产车间布局优化

3基于FLEXSIM的某生产车间布局的建模与仿真

3．1 应用实例——某生产车间基本情况概述

以济源市某机械加工企业的某小型机加车间为例，该车间主要生产钻床主轴、主轴箱。车间为18m*30m的矩形车间，各区域面积分布见表3-1，有1个入口，2个出口，车间内有6台车床，4台磨床，2台铣床，2台镗床，1台热处理机器和缓存区若干。该车间采用的是工艺型布局的方式，主要的工艺程序有原材料的检验，零件的车、铣、镗、磨、钳、热处理等。搬运方式主要是采用人工搬运和叉车搬运两种方式：设备相邻工序之间采用人工搬运，不相邻的工序之间或距离较远的工序用叉车运输，每次搬运量都为1个单位。该车间的详细布局图见附图一。

表3-1 车间区域面积分布 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 区域 原材料临时存放区 原材料检验区 隔离区 车床区 铣床及热处理区 钳工区 镗床区 磨床区 成品检验区 成品存放区 办公区 卫生间 面积 9.6m*2m 2.4m*3.6m 9.6m*5m 4m*10m 4.2m*4.8m 4.2m*4.2m 4m*4.2m 5.4m*6m 4m*4.8m 17.4m*5.4m 6m*3m 3m*2.5m 其中临时存放区用来临时存放配送来的原材料，检验区用来检验原材料是否合格，隔离区用来暂时放检验不合格的原材料、最终检验不合格的次品以及车、铣、镗、磨、钳、热处理等工艺所产生的废料和废品。车床区、铣床区、磨床区、钳工区、镗床区为主轴与主轴箱的关键加工工序，成品存放区是用来存放成品的仓库，办公区为工作人员办公场所。

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该车间的原布局中的通道设计考虑到了搬运工具的行驶，横向与纵向的主通道宽度均为4米，允许叉车等搬运工具的双向行驶，各区域之间的通道宽度均为2米，允许叉车等搬运工具的单向行驶，设备与设备之间的距离不小于设备长度的1/3，搬运工具只允许在通道中行驶，即使设备之间的距离允许搬运设备通过，它也不能穿越设备。

该车间主要加工的两个零件的工艺流程及各机加工序所消耗时间见表3-2和表3-3。

表3-2 钻床主轴的加工工序及各工序所需的工时

钻床主轴 工序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 机加种类 车 车 车 车 车 车 钳工 铣 铣 磨 磨 磨 磨 切除 检验 工艺 粗车端面 粗车小端外圆 粗车端面和外圆/热处理 半精车小端外圆 车螺纹 半精车莫氏锥孔 划长孔线 铣长孔 粗铣，半精铣花键 粗磨各段外圆，锥孔 精磨各段外圆 精磨花键 精磨莫氏锥孔 切除小端余量 检验尺寸与精度 消耗时间（s） 230 252 230/60 252 210 236 220 120 120 220 250 220 210 160 160 表3-3 主轴箱的加工工序及各工序所需的工时

主轴箱 工序号 1 2 3 4 5 6 7 机加种类 铣 钳工 铣 镗 镗 清洗 检验 工艺 粗铣顶面 钻R面上的孔并攻丝 铣底面、侧面 粗镗各轴孔 精镗主轴孔 检验精度 消耗时间（s） 120 120 120 300 280 200 200 〃９〃

基于FLEXSIM的生产车间布局优化

3．2 基于FLEXSIM对该车间的建模与各工作单位参数的设定 3．2．1 基于FLEXSIM对该车间进行布局

车间总共有10个区，其中涉及加工生产的有5个区，每个区均有加工机器及缓存区若干。现对车间内的设施用FLEXSIM中的实体进行替换，分别用2个发生器代替原材料的到达，2个容量为200单位的缓存区代替2种原材料的临时存放区，2台处理器代替原材料检验区的两种原材料的检验，成品检验区用2台处理器来表示两种成品的检验，一个容量为200单位的代替隔离区。机械加工区域（车、铣、磨等区域）分别是用一台处理器表示每个工序的加工，如车床区需要6次车的工序，用6台处理器分别来表示这6个车床的工序。

分别将2个发生器，17个缓存器，23台处理器，2个货架拖入FLEXSIM的界面，按照附图一车间布局的要求布臵各个实体的位臵并调整其大小。按照钻床主轴和主轴箱的加工工艺要求连接各个实体，如将原材料临时存放区的缓存器1（Queue1）的输出端口与原材料检验区用来模拟检验过程的处理器（ProcessorJ1）的输入端口相连，具体做法为按住A键点击Queue1拖到ProcessorJ1上面，其他的连接都类似。由于原材料检验区，磨床区与隔离区距离较近，所以这两个区域产生的废品直接被运到了隔离区，在模型中的表示为将这两个区域的7台处理器的其中一个输出端口连向代表隔离区的缓存器。完成所有连线的车间布局的FLEXSIM模型中如图3-1：

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图 3-1 FLEXSIM中的车间布局建模

原车间内共有6辆叉车和一个搬运员。为了方便记忆为其编号，叉车1（Transporter1）负责原材料临时存放区到原材料检验区的物料搬运；叉车2（Transporter2）负责物料1从原材料检验区到车床区的搬运，叉车3（Transporter3）负责物料2从原材料检验区到铣床区的搬运（物料1为钻床主轴所需物料，物料2为主轴箱所需物料）；叉车4（Transporter4）物料1从铣床区到磨床区，再从磨床区到成品检验区的搬运；叉车5（Tran_ sporter5）负责将机加区域产生的废料及废品搬运到隔离区，为了防止此叉车穿越加工区域到达隔离区，特为此叉车设臵行走路径，使其只在车辆道路中行驶；叉车6（Transporter6）负责物料从成品检验区到成品存放区的搬运。搬运员负责由机械加工区域产生废料及废品统一到机加区域中的一个较大的暂存区（Queue17）的搬运。给模型中添加叉车与搬运员后的仿真模型如图3-2：

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基于FLEXSIM的生产车间布局优化

图 3-2 添加过搬运工具后的的车间布局建模

3．2．2 各工作单位参数的设定

对上图中的各个工作单位进行参数的设定：

1、由于该工厂有统一的配送中心，配送中心设原材料一级仓库，车间内不设二级仓库，又由于该车间离一级仓库距离较近，所以配送方式为小批量配送，每天送货1次或2次，现模拟每天送货批次为2次的情形。仿真时间为一个班次，即8小时，28800s，2个发生器均采用成批到达方式到达，每天成2批到达，第一批批量为100单位，在仿真时刻零时刻到达，第二批批量为50单位，在仿真时刻14400s到达。

2、依据车间的现实情况模拟缓存区，临时存放区、隔离区的缓存器的容量均为200，机加区域内用于集中存放废品与废料的一个较大的缓存区容量为30，其它用于设备之间的缓存和废品及废料暂时存放的缓存区容量均为10。

3、在该车间进行的IE管理调查中曾统计过各工序加工时间，统计结

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果现实各个机器在正常工作情况下的完成一个工序的时间均服从正态分布。所以在FLEXSIM的模型中处理器的处理时间均服从正态分布。原材料以及最后的成品的合格率均达不到100%，所以在检验过程中会发现次品，机加过程中也免不了产生废品与废料，所以每台处理器均设有废品率，这个“废品率”对于机加机器来说是废品与废料的总和，而且主要为废料。由于金属制品的废料仍具有很大的重复利用价值，所有废料会与次品一起被运往隔离区。在FLEXSIM的模型中的处理器的设臵为：处理器的输出端口一个连接下个工序，另一个连接负责接收废品的缓存器，在处理器的临时实体流选项卡中的送往端口选择“按百分比（输入）”，按照每个处理的废品率要求设臵每个输出端口的百分比。两种产品的加工都需要用到铣床区中的机器，这两台机器均有两个输入和输出端口。铣床区的处理器的临时实体流选项卡的设臵为：送往端口选择“按实体类型（直接）”,在输入中的“拉动”选项打钩，在从端口拉入选项中选择“轮询模式”。

4、车间内的6台叉车的最高速度均为2m/s，加速度和减速度为1m/s，装载和卸载时间均为20s；搬运员得的最高速度为0.8m/s，加速度和减速度为0.3m/s，装载和卸载时间均为15s。

5、该车间的成品存放区存放成品的方式包装后进行堆码，平铺在地面上，在FLEXSIM中的成品仓库由2个高层货架来表示。由于在一天之内所生产的产品有限，仓库有足够的容纳能力，所以在这里货架的容量不做限制。

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3．3 模型的运行与仿真报告的输出及分析 3．3．1 模型的运行及仿真报告的输出

打开统计中的统计收集，选择全部实体打开用来统计所以实体的状态，点击FLEXSIM界面中的“重臵”、“编译”、“运行”，仿真模型开始运行。为了便于观察实体的流动情况，设臵仿真时间/真实时间为80，在仿真时间为28800s时点击暂停，导出仿真报告。

仿真报告主要包括标准报告(Standard Report)和状态报告(States Report)。标准报告的输出变量主要包括：对象当前所容纳的物品数(Sta_ ts_content)、模型运行过程中对象容纳的最小物品数(stats_conten_ tmin)、模型运行过程中对象容纳的最大物品数(stats_ contentmax)、模型运行过程中对象容纳的平均物品数(stats_ contentavg)、物品在此对象中停留的最短时间(stats_staytimemin )、物品在此对象中停留的最长时间(stats_ staytimemax)、物品在此对象中停留平均时间(stats_ staytimeavg)、进入此对象的物品数(stats_input)、离开此对象的物品数(stats_output)等。

状态报告的变量主要包括：空闲(idle)、运行(processing)、忙碌(busy)、阻塞(block)、收集(collecting)、释放(releasing)、空载运行(travel_empty)、装载运行(travel_loaded)、装载(1oading)、卸载(unloading)等。本模型的仿真报告的部分数据见表3-4：

表3-4 仿真报告1

Object ProcessorJ1 ProcessorM3 ProcessorM2 ProcessorM1

content

1 0 1 1

contentavg 0.866168 0.433754 0.489244 0.479842

input 124 56 57 64

output

123 56 56 63

staytimeavg 202.867378 220.190809 250.134148 219.452191

idle 3855.466261 16097.15192 14623.45001 14987.09257

processing 14735.49815 12330.68536 14007.51226 13825.48803

blocked 10217.18938

0 0 0

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ProcessorQC1 ProcessorM4 ProcessorQX ProcessorQ2 ProcessorQ1 ProcessorC1 ProcessorC2 ProcessorC3 ProcessorC6 ProcessorC5 Queue1 Queue3 Source1 Source2 ProcessorY2 ProcessorY1 ProcessorR1 ProcessorT2 ProcessorT1 Rack2 Rack1 Queue8 Queue17 Queue11 Queue9 Queue10 Queue6 Queue7 Queue2 ProcessorJ2 Queue4 Queue5 Queue12 Queue13 Queue15 ProcessorC4 Queue16 ProcessorX2 ProcessorX1 Queue14 Transporter1 Transporter2 Transporter3 Transporter5

0 0.313635 0 0.395747 1 0.515514 1 0.544598 1 0.769184 1 0.870319 1 0.902555 1 0.696041 1 0.74491 0 0.560121 26 76.291831 86 41.758152 0 21.66097 0 22.795615 1 0.521343 0 0.286971 0 0.164689 1 0.7913 1 0.979825 69 32.962554 47 19.278924 0 0.00139 0 0.067469 0 0.003865 1 0.603597 0 0.037756

0 0 0 0

29 74.946224 1 0.858515 10 9.350034 10 8.768144 0 0.004545

0 0

0 0.015233 1 0.68254 0 0.001399 0 0.683629 1 0.852093 5 5.655813 0 0.125179 0 0.061814 0 0.071556 0

0.076359

51 51 177.261297 54 54 209.875681 75 74 200.361576 107 106 148.057024 68 67 330.836796 110 109 229.914013 104 103 252.033331 88 87 230.017592 73 72 298.146775 76 76 209.633949 150 124 13116.52954

86 0 0

0 150 1465.439921 0 150 1299.34246 70 69 216.42379 47 47 175.448521 79 79 60.021064 82 81 281.061542 95 94 299.892934

69 0 0 47 0 0

104 104 0.384381 66 66 29.124062 79 79 1.408768 74 73 233.161288 64 64 16.98662

56 56 0 51 51 0

150 121 12236.46901 121 120 205.412888 120 110 2339.692639 117 107 2205.058729 8 8 14.692944

0 0 0

22 22 19.306414 79 78 251.941754 82 82 0.490874 164 164 119.976475 172 171 143.598353 100 95 1675.497505 245 245 14.719062 110 110 16.181202 107 107 19.192663 116

116

18.927458

〃１５〃

19784.0271 17304.4455 13934.37441 13123.60333 6651.58255 3734.140068 2802.724067 8738.964715 7351.080085 12511.9967

0 0 0 0

13710.54368 20488.78699 24049.98315 6004.387533 580.436544

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

4062.300825

0 0 0 0 0

9140.190415

0

9105.762963 4262.329477

0

21334.392 25207.62299 24619.2479 24805.24332

8181.915896 11333.28677 14826.7566 12713.31172 14691.97197 25060.62746 25959.43305 20011.53049 16997.09246 15932.1801

0 0 0 0

13805.11729 7484.048422 4741.664092 22765.98488 28189.93587

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

14516.7551

0 0 0 0 0

19651.45683

0

19676.14202 20512.72571

0 0 0 0 0

0 0 0

2980.732762 7474.093296

0 0 0

4469.475269

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

10251.70847

0 0 0 0 0 0 0 0

4042.592631

0 0 0 0 0

基于FLEXSIM的生产车间布局优化

Transporter4 Operator1 Transporter6

1 0 0

0.07307 0.019581 0.059203

115 30 66

114 30 66

18.475436 18.211572 25.578957

25111.17188 26812.91664 25199.89622

0 0 0

0 0 0

其中ProcessorJ代表用于原材料检验的处理器，ProcessorC为车床区的处理器，ProcessorX为铣床区的处理器，ProcessorM为磨床区的处理器，ProcessorQ为钳工区的处理器，ProcessorT为镗床区的处理器，ProcessorY为成品检验区的处理器，ProcessorQX为负责实体2清洗的处理器，ProcessorQC为负责实体1切除余量的处理器。 3．3．2 仿真报告的分析

从仿真报告表中看以看出ProcessorJ1、ProcessorJ2、ProcessorQ1、ProcessorQ2、ProcessorC6、ProcessorX1均存在阻塞，特别是ProcessorJ1、ProcessorJ2的阻塞率已达到35.5%，而且这些处理器同时存在空闲时间，这说明造成阻塞的原因是由于工序间的不平衡或者是处理器之间缺乏缓存区或缓存区的容量不够。70%的处理器上在同一时刻存在在制品，说明此时刻有30%的处理器处于空闲状态，说明该车间工序间的连续性并不是很好。

缓存区Queue6、Queue7、Queue13的对象容纳的平均物品数(stats_ contentavg)、对象中停留平均时间(stats_staytimeavg)均为零，表示这些缓存区并没有达到缓存的作用，应当裁撤。

各搬运工具Transporter1、Transporter2、Transporter3、Transporter4、Transporter5、Transporter6及Operator1的空闲率分别为74%、87.5%、85%、87.1%、86.1%、87.5%、94%（此数据是有各搬运工具的空闲时间（idle）除以总时间28800s得出的）。显然搬运工具的空闲率过高，这说明车间内的搬运工具利用率不高，车间内不需要那么多搬运工具，可以裁撤一

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些搬运工具并进行适当的调度来完成每个工序间的搬运任务。

除了上述可以直接从仿真报告中看出的定量数据外，通过观察仿真模型的运行过程可以看出车间内搬运路线存在迂回的现象，并且有些区域的布局不合理，如磨床区的位臵设臵，磨床区与铣床区，成品检验区之间的工序紧密相连，而磨床区与铣床区和成品检验区的距离过大，从而造成了搬运路线过长，搬运时间上的浪费。

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基于FLEXSIM的生产车间布局优化

4 生产车间布局优化

在本章中将介绍车间布局遵循的一些原则，然后给出基于SLP的车间整体布局方案，所谓的整体布局是指在表3-1中车间内12个区域的重新布局方案，在得出新的整体布局方案后再根据原布局的仿真结果给新布局重新布臵搬运路线，设臵搬运工具的数量及任务，评估设备之间缓存区存在的必要性并设臵缓存区的数量及位臵。在所有的布局设计完成后，最后对于新的布局方案进行建模与仿真，以评估新旧两个方案的优劣。 4．1 车间布局的原则

在进行车间布局设计时，应采用合理的车间布局原则，以保证车间布局的合理性，一般来说车间布局遵循的原则有：

（1） 工艺性原则

工艺性是产品生产制造过程合理、连续以及生产各环节加工能力相匹配有力保证。工艺的合理不仅可以减少生产过程中的中断、等待和停顿，还可以避免系统配臵的不平衡，减少生产能力的冗余，保证零件的加工要求。

（2） 物流简化原则

在物料搬运过程中应尽量保证物料移动距离最短、搬运环节最少 以及搬运作业最简。在保证加工任务顺利完成的情况下，应尽可能减少物料和人员的流动距离，避免物流交叉，尽量采用直线前进的原则，以节省时间，降低费用，减少混乱。同时，尽量简化搬运作业，减少搬运环节，提高系统物流的可靠性。

（3） 经济性原则

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经济性是在车间步局时应该考虑的一个重要原则，要用尽可能少的资金，达到满意的车间布局，提高企业的经济效益。另外，车间布局进行重组时，经济性也是必须考虑的重要因素之一。若设备重组的成本过高，必然会提高产产品的生产成本，导致产品不为顾客接受，难以满足市场的要求，因此，在进行设备重组之前，也必须先对重组成本的经济性进行综合评估，以保证企业的效益。

（4） 充分利用空间和场地原则

根据产品的生产工艺，合理安排机器、物料的摆放位臵以及人员的工位，在保证加工任务顺利完成的同时节约场地。另外，在搬运过程中，尽量使用符合集装单元帮和标准化原则的各种托盘、料箱、料架等工位器具，以有利于提高搬运效率，物料活性系数，系统机械化和自动化水平，节约空问。

（5） 生产均衡原则

维持各种设备和工位生产的均匀进行，必要时设臵缓冲区以协调各个工位。

4．2 基于SLP的车间整体布局设计

系统布臵设计（Systematic Layout Planning，SLP）是美国布臵设计权威之一理查德·缪瑟在总结了大量工厂/车间布臵设计经验的基础上总结的一种以作业单位物流与非物流的相互关系分析为主线的设施规划方法。设施系统布臵设计方法是一种条理性很强、物流分析与作业单位关系密切程度分析相结合的，以求得合理布臵的技术，因此在布臵设计领域得到广泛的运用。

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基于FLEXSIM的生产车间布局优化

SLP是一种定量与定性分析相结合的一种布臵方法，其中的物流相互关系的分析为定量分析，非物流关系的分析为定性分析。该方法的步骤为：

（1）给各区域编号，并计算各区域面积，原布局的区域面具汇总已在表3-1中给出。

（2）进行作业单位的物流相互关系分析，其中包括物流强度的计算（物流强度=搬运量*距离），绘制物流强度从至表（表4-1），进而对各作业单位的物流强度进行分析，将个作业单位划分为5个等级，即A、E、I、O、U最后得出作业单位物流关系相关图（见图4-1）

表4-1 物流强度从至表（吨*米） 从至表 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 2 3 4 9.5*3 0.5*3 0.9*8 0.12*8 5 9.2*3 10*4 6 7 8 9 3.2*3 10 8.25*5 18.45*6 1*2 0.37*3 12.15*14 5.92*17 3.5*12 7.5*3 3.8*4 3.65*5 6.3*14 5.2*17 〃２０〃

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作业单位1原料存放2原料检验 3隔离区 4车床区 5铣床区 6钳工区 7镗床区 8磨床区 9成品检验 E 10成品存放 图4-1 作业单位物流关系相关图

A U U E A O I E E I U U I U U U E U U U EU U U I U U U U U U O U U U U U U U U U U U U （3）进行作业单位的非物流关系分析，首先评定各作业单位关系密切程度理由（表4-1）， 之后绘制作业单位基准相互关系等级表（表4-2），最后可以得出作业单位非物流关系相关图（图4-2）。有工序上的联系的区域设臵为E等级，理由都是1“工作流程的连续性”，其中原材料存放区与原材料检验区之间和成品检验区和成品存放区之间还有“管理方便”这一理由，所有它们之间的关系等级为A。涉及加工的区域与成品存放区的关系等级为X，即不要靠近，这是因为加工区域的振动、噪声、烟尘可能会间接损害到成品。

表4-2 各作业单位关系密切程度理由表

编号 1 2 3 4

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理由 工作流程的连续性 生产服务 次品搬运 管理方便 编号 5 6 7 8 理由 安全 振动，噪声，烟尘 库存控制 信息传递 基于FLEXSIM的生产车间布局优化

表4-3 作业单位基准相互关系等级表 符号 A E I O U X 含义 绝对重要 特别重要 重要 一般 不重要 不要靠近 比例 2%—5% 3%—10% 5%—15% 10%—25% 45%—80% 不希望接近视情况而定 作业单位1原料存放2原料检验 3隔离区 4车床区 5铣床区 6钳工区 7镗床区 8磨床区 9成品检验 10成品存放 图4-2 作业单位非物流关系相关表

E/1 U U E/1,2 E/1.2 X/6 E/1,4 A/1,4 I/3 I/3 E/1 U U U E/1 U U E/1 U U X/6 X/6 U U U U U U I/3 U X/6 U U U X/6 U U U U U E/1 U E/1 E/1 U （4）综合作业单位物流关系相关表与非物流关系相关表，选取物流关系比非物流关系为2:1的加权值进行作业单位的综合关系的计算，绘制出作业单位位臵相关图（图4-3）。

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10 1 2 5 4 8 9 3 6 图4-3 作业单位位置关系相关图

7

（5）最后各作业单位性质和功能以及充分利用场地、减少物流搬运和人性化设计等原则，重新设计车间区域布局，新布局图见附图二。 4．3 车间布局新方案的设计以及新方案的仿真 4．3．1 车间布局新方案的设计

附图二给只出了新方案的车间整体布局，接下来的任务就是完成车间布局的完整方案，为这个新方案设计搬运路线，设计搬运工具数量以及搬运工具的调度方式，评估设备间的缓存区存在的必要性以及设臵缓存区的数量和位臵。本文在3.3.2的原方案仿真报告分析中已经分析了原方案布局中的不合理之处，现根据新布局对其中的不合理之处一一做出改善。

根据对原布局仿真模型的研究，处理器ProcessorJ1、ProcessorJ2、ProcessorC6的阻塞是由于这些处理器与它们下道工序之间的缓存区容量不够，所以需要增大这些缓存区的容量。分别将与ProcessorJ1、ProcessorJ2的输出端口1连接的缓存区Queue4、Queue5容量改为50，将与ProcessorC6的输出端口1连接的缓存区Queue9容量改为30。ProcessorQ1、ProcessorQ2、

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基于FLEXSIM的生产车间布局优化

ProcessorX1阻塞是由于这些处理器的加工时间小于其后面的处理器，两者之间缺少缓存区，所以要分别为这些处理器设臵缓存区，缓存区容量设为10。由于ProcessorX1、ProcessorX2这两台铣床承担着两种产品的共同加工任务，而其前后的工序均只承担一种产品的加工任务，同时这两台机器的加工时间并不短，这样势必造成与其输入端口直接相连的处理器的阻塞。

由于缓存区Queue6、Queue7、Queue13的对象容纳的平均物品数(stats_ contentavg)、对象中停留平均时间(stats_staytimeavg)均为零，说明这些缓存区并没有达到缓存的作用，在新布局中理应裁撤。但是通过模型可知，Queue13所承担的任务是负责成品检验区次品的暂存，其平均物品数(stats_ contentavg)、对象中停留平均时间(stats_stay- timeavg)均为零只能说明在这28800s的仿真时间里产生的成品全部合格，没有次品，并不能说明此缓存区无用，所以应当保留这个缓存区。

调整布局前由于磨床区与隔离区相邻，磨床区的所有机器的废品与废料直接进入了隔离区，而调整布局后，磨床区与隔离区距离较远，在新布局中使磨床区与成品检验区公用一个废品废料的暂存区，这样更好的利用了暂存区Queue13。

由于在新布局中临时存放区和原材料检验区的距离缩短，他们原来要通过主过道，现在两个区紧紧相邻，故负责运送两个区之间物料的叉车1（Transporter1）可以撤去。由于布局的调整原本距离很远的铣床区和磨床区现在紧紧相邻，故负责物料1从铣床区到磨床区，再从磨床区到成品检验区的搬运的叉车4（Transporter4）也可以撤去。叉车2（Trans_

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porter2）、叉车3（Transporter3）、叉车5（Transporter5）的任务不变，给叉车（Transporter6）赋予新的任务。叉车6（Transporter6）除了负责从检验区到成品存放区产品的搬运外还负责产品由切除ProcessorQC和清洗ProcessorQX到成品检验区的搬运。同时鉴于搬运员Operator1的空闲率过高，使其在担任物料1由钳床区的ProcessorQ1到铣床区的Processor- X1，物料2由铣床区ProcessorX1到钳床区ProcessorQ2的搬运工作。

现在根据有SLP得出的新方案整体布局和由对仿真报告1的分析得出的新方案改善设计可以得出基于FLEXSIM的新布局的仿真模型，如图4-4：

图4-4 新布局的仿真模型

4．3．2 新方案的仿真与仿真报告的输出

给新的仿真模型设臵参数，然后运行新的仿真模型，导出仿真报告（表4-3）

表4-4 仿真报告2

Object ProcessorJ1 ProcessorM3

contentavg

0.9479 0.436007

input 150 58

output

150 57

staytimeavg 132.837887 219.679425

idle 1095.185861 16197.37187

processing 18052.26532 12521.72722

blocked

0 0

content

0 1

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基于FLEXSIM的生产车间布局优化

ProcessorM2 ProcessorM1 ProcessorQC1 ProcessorM4 ProcessorQX ProcessorQ2 ProcessorQ1 ProcessorC1 ProcessorC2 ProcessorC3 ProcessorC6 ProcessorC5 Queue1 Queue3 Source1 Source2 ProcessorY2 ProcessorY1 ProcessorR1 ProcessorT2 ProcessorT1 Rack2 Rack1 Queue8 Queue17 Queue11 Queue9 Queue10 Queue6 Queue7 Queue2 ProcessorJ1 Queue4 Queue5 Queue12 Queue13 Queue15 ProcessorC4 Queue16 ProcessorX2 ProcessorX1 Queue14 Transporter2 Transporter3

0.485239 0.520316 0.352808 0.413705 0.673942 0.568279 0.56819 0.871871 0.844123 0.698436 0.601198 0.559393 39.294378 40.159735

50 50 0.624147 0.319317 0.173146 0.904656 0.981456 37.28466 23.990922 0.002039 0.532051 0.005779 0.000255 0.005096 0.215691 0.336609 37.693235 0.906109 38.302993 25.092203 0.018359 0.009896 0.014776 0.727723 0.597357 0.780446 0.85966 11.837908 0.109878 0.037319

62 61 69 68 55 55 56 56 89 88 136 136 73 73 110 109 97 96 87 87 74 73 78 77 150 150 81 0 0 150 0 150 84 83 52 52 84 84 94 93 95 94 83 0 52 0 97 97 75 74 84 84 74 74 69 69 206 205 70 70 150 150 150 150 145 110 148 137 21 21 14 14 8 8 84 83 118 115 184 184 207 206 115 95 260 260 287

287

228.920009 14813.72072 220.806894 13842.31998 182.246706 18387.23251 208.616112 16556.24015 219.849414 9360.111603 119.937833 12391.87702 221.213252 12272.51319 229.984603 3684.001416 252.581047 4477.617849 230.48244 8657.858985 236.421172 11448.52296 208.939796 12672.00697

5473.202329

0 0 0 0 0 0

0

215.651509 10778.59482 175.773622 19484.03923 59.298682 23787.04833 279.543931 2739.965171 300.049525

532.895371

0 0 0

0 0.603788 0 204.785062 0 1.979113 0 0.099054 0 2.131253 0 30.241146 0 137.56141 0 5138.203312 0

124.269813 1931.530034

6769.077067 0 4555.535793 0 22.867765 0 19.72989 0 27.568412 0

252.231715 7832.905315

141.654246 0

122.399286 6335.7203 119.997363 4035.449305

3048.226297 0

12.151005 22363.87439 3.739055

23568.80217

〃２６〃

13964.12049 14980.8212 8833.008161 11682.5023 17576.34822 16311.54538 16148.56733 25068.32183 24247.78057 20051.97236 17258.74549 16088.3643

0 0 0 0

16630.7075 8339.356018 4981.089292 25997.58554 28204.65534

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

17969.44176

0 0 0 0 0

20935.2323

0

22074.41421 24719.4568

0 0 0

0

34.047616 7.977157

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 14400 14400

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

447.054292

0 0 0 0

1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 81 0 0 1 0 0 1 1 83 52 0 1 0 0 0 1 0 0 0 35 11 0 0 0 1 3 0 1 20 0 0

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Transporter6 Operator1 Transporter5

0.156131 0.137946 0.062137

278 228 74

278 228 74

16.105984 17.317217 23.535868

20210.28382 21003.99937 24620.08598

0 0 0

0 0 0

0 0 0

4．4 结论分析

通过对比仿真报告1和仿真报告2可以看出，原方案成品存放区货架Rack1、Rack2上的成品分别为47、69，而新方案货架Rack1、Rack2上的成品分别为52、83，车间的生产率有明显的提高，这是新方案比原方案优越的最有力证明。

除了生产率有所提高外，在处理器的阻塞率方面，新方案的最高阻塞也只是ProcessorX2的447s，阻塞率约为1.55%，ProcessorM1、ProcessorQC1的阻塞率更低，几乎可以忽略，这与原方案的6台处理器存在阻塞，并且最高阻塞率到达35%相比有很大的改进。

在新方案中不再存在缓存区的对象容纳的平均物品数(stats_ contentavg)、对象中停留平均时间(stats_staytimeavg)为零的情况，说明缓存区都在利用，不存在无效的缓存区，这方面也所有改善。

最后再看搬运工具，从数量上看，新方案中只用了4辆叉车，而原方案用了6辆叉车，再从搬运工具的空闲率来看，在新方案中Transporter2、Transporter3、Transporter5、Transporter6、Operator1的空闲率分别为77.6%、81.8%、85.5%。70.2%、72.9%，与原方案的Transporter1、Transporter2、Transporter3、Transporter4、Transporter5、Transporter6及Operator1的空闲率74%、87.5、85%、87.1%、86.1%、87.5%、94%相比搬运工具的空闲率有所下降。

〃２７〃

基于FLEXSIM的生产车间布局优化

5 总结

本文以Flexsim软件为主要工具，以SLP方法作为辅助对车间布臵的基本布局形式、物流路径以及搬运系统做了整体的建模与仿真。

车间布臵为典型的离散事件系统，通过分析离散事件的特点进而引入Flexsim做为离散事件仿真的可行性。利用Flexsim软件对车间布局设计仿真，物料流动形式，工艺步骤具体实现方法等关键问题进行研究。

本文的主要讨论的内容是以某生产车间为例的车间布局的建模与仿真。在实例中首先对车间原布局进行了FLEXSIM的建模与仿真，从仿真报告中分析出了原布局的不足之处，之后用SLP作为辅助工具对车间的整体区域布局进行了设计，然后对原布局仿真报告中的缓存、设备利用率等关键因素进行分析并提出合理的改善方案。最后在FLEXSIM中建立了新的布局方案的模型，并进行了仿真。

仿真结果表明：适量的缓存容量、正确的仿真策略、准确的调度原则可以提高现有设备布臵条件下车间生产系统的整体效率。

〃２８〃

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※※※※※

致 谢

在本文即将完成之际，首先要感谢我的指导老师杨茉老师，她的悉心指导和耐心的帮助是本文得以完成的重要保证。老师严谨的治学态度、精益求精的工作作风深深的感染和激励着我，对我以后的学习和工作都会产生极大的促进作用，使我受益终生。

此外还要感谢张福翔教授对于我FLEXSIM仿真实验的的支持与指导。在此我要向两位老师以及帮助过我完成毕业设计的同学表示衷心的感谢。

参考文献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jfxw.html